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日本的CAD行业有着很多值得我们学习的地方，此次连载是为了国内的广大读者能够更多的了解国外同行的一些发展动向，从而更清醒的认识我们自身的长处与短处。
“以三维方式进行设计探讨，为何还必须制作二维图纸呢？”“虽说拿到了二维图纸和三维形状数据，但二者却不一致。该相信哪个好呢？”
CAD由二维过渡到三维后，在开发和生产过程中产生了新的问题，造成了混乱。假如能够更好地使用三维技术，无疑能够减少这些问题和混乱，从而确立更具效率的设计信息手段。为了确立新的“图纸”文化，业界团体和三维CAD用户已经开始进行系统的协作。
走在前面的是汽车行业和日本PTC用户会三维图纸论坛这两大团体。为了解决上述问题，汽车行业已经着手对基于三维数据的全新设计信息传输手段实施标准化。而日本PTC用户会三维图纸论坛目前正在讨论，利用三维技术重新研究更具效率的设计信息传输手段，而不是将现有的图纸文化移植到三维领域中去。
图纸承担的两项作用——设计探讨与设计信息传输
在制造业，“图纸”文化是经过长期发展而确立下来的。业界目前正在探寻其最为理想的状态。
起因就在于三维CAD近来日渐普及。与二维CAD不同，三维CAD可以立体方式（三维数据）表现立体效果。因此，在试制的前期阶段就能高效地对形状错综复杂的部件，以及必须对大量部件进行精密配置的产品和设备等难以利用二维方式对细节进行配置的部分进行设计探讨。
不仅如此，即便是那些看不懂二维图纸的人也能在数据阶段理解设计人员正在设计什么样的产品，并能对正在开发的产品提出建议。假如能够将这些数据运用于机械加工用NC（数控）数据的生成与分析、RP（快速原型化）、演示资料与产品目录素材等领域，就能在开发的初期阶段添加设计内容，提高业务效率。“一旦用上三维CAD，就再也无法回到二维CAD了”——，很多用户之所以这么讲，就是基于它的上述魅力。
然而，有一点却让绝大多数刚开始使用三维CAD的设计人员多多少少都觉得“难以理解”。这就是“完成三维数据之后，为何还必须制作二维图纸呢？”无论是二维CAD，还是三维CAD，对于设计人员来说都是用来将所要描述的设计用形状表达出来，并对此进行探讨和完善的工具。二者之间并没有本质的区别。但现场的处理工作虽看似相同，实则不同。作为二维图纸，后期工序和相关部门可直接受理，而三维数据通常则做不到这一点。必须附加二维图纸或简易的二维图纸。而且制作这些二维图纸和简易二维图纸大多都赶在为着手量产而忙于设计变更和筹备任务的繁忙时期。因此令设计人员感到“难以理解”也就不无道理了。
这种状况的产生主要是因为图纸具有两方面的作用。一是作为“用于设计探讨的媒体”的图纸，另一个则是向他人传达设计人员意图、即作为“传达设计信息的媒体”的图纸。前一种作用是指通过将产品和部件形状表现成实际形状，可对设计内容进行确认和探讨。而后一种作用则是指利用能令阅读者当场即可理解的明示方式，将几何公差、尺寸公差、表面处理方法及材质等仅靠形状而难以表达的信息（设计意图），传达给生产技术、模具设计与生产、部件加工、部件与产品检验等后期工序。
在利用二维CAD进行设计的时代，值得庆幸的是，作为设计探讨成果的二维图纸同时还承担了用于传达设计信息的媒体作用。所以，无论是作为进行设计探讨的媒体，还是作为传达设计信息的媒体，设计人员均只需制作二维图纸即可。那么已经习惯了这种状况的设计人员一旦过渡到三维CAD，自然就会认定三维数据当然也兼具上述2项作用。
然而，事实却并非如此。也就是说，三维数据并不能作为向生产技术、制造与检验等部门工作人员传达设计人员意图的媒体来使用。结果，就产生了目前这种“即使花费比二维图纸更大的工夫制作出了三维数据，还必须再制作二维图纸或简易的二维图纸”的状况（图1）。 （图片）
图1：不断变化的图纸形态。根据日本汽车工业协会（JAMA）和日本汽车配件工业协会（JAPIA）下属的3D图纸标准化工作组公开的资料制作而成。图纸形态正在由过去的2D图（二维图纸），或2D图与3D形状（三维数据）的组合，向3D图和简易2D（简易二维图纸）的组合演变。 当然，与以二维方式进行设计的时代相比，从平均水平来讲，以三维方式进行设计在设计质量上得到了提高。不过，作为现实问题，设计人员的工作负荷非但没有减轻，反而增加了。于是业界就出现了一种新的动向：作为比现有二维图纸更有效的设计信息传送方法，业界正在探索基于三维数据的全新图纸（三维图纸）形态，并且正准备推进其标准化。假如能够实现标准化，那么设计方面就不需再制作用来补充信息的二维图纸了。而且还能消除三维数据与二维图纸（或简易的二维图纸）中屡屡发生信息不匹配，给后期工序造成混乱的实现问题。
为了实现上述目标，汽车行业的研究团体和日本PTC用户会三维图纸应用论坛的研究团体正在全力开展相关活动。汽车行业的研究团体包括由日美欧汽车业界团体等加盟的标准化组织“SASIG”，以及日本汽车工业协会（JAMA）和日本汽车配件工业协会（JAPIA）联合组成的3D图纸本土化工作组。
三维数据的不足：产品制造不可缺少的形状以外的信息
尽管上文已经做了简单的说明，在此再次对“三维数据为何在大多数情况下必须添加二维图纸和简易二维图纸”这一问题进行总结。这是因为仅靠三维数据，目前往往难以进行产品生产和检验。也就是说，三维数据中没有以让阅读者立刻明白的方式，将生产技术、模具设计与生产、部件加工、部件与产品检验等工序所必须的设计意图添加进来。
的确，三维数据包含了二维图纸所不具备的详细形状信息。不过，三维数据中却不包括几何公差、尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等仅靠形状而无法表达的（非形状）信息。另外，基于注释的形状提示、关键部位的放大图和剖面图等能够更为灵活而合理地传达设计意图的手段也存在不足。
说得更准确一点，业界目前正在研究在三维数据中添加上述若干信息的方法。不过，由于这些方法不同于二维图纸，而且没有形成标准，因此没有统一的规则。另外，根据三维数据所添加的信息种类，要么需要在三维CAD方面进行功能开发，要么需要在二维图纸以外提供用于阅读这些数据的工具（浏览器），因此这些方面的功能强化都是不可缺少的。
最为重要的是，要想将三维数据当作传达设计信息的载体，必须明确三维图纸应有的形态，也就是说以什么样的形式表达什么样的信息？另外还必须要有能够实现这一目标的三维CAD和浏览器。过去，由于三维图纸应有的形态不明确，因此可实现此目标的功能始终无法集成于三维CAD和浏览器中。从而也就陷入了由于没有这种功能，三维数据始终无法发展成为传达设计信息的载体这种恶性循环。
前面提到的JAMA/JAPIA，以及在日本PTC用户会基础上成立的三维图纸应用论坛的活动，可以说其目的都是要从这种恶性循环中摆脱出来。JAMA和JAPIA希望以用户为主导探索三维图纸的理想形态，最终实现标准化。为此，正在向三维CAD和浏览器开发商做工作，希望建立能够利用三维图纸进行生产的环境。这样一来，过去经过长期发展而确立下来的、基于二维图纸的“图纸工”文化，随着三维CAD的普及，今后即将迈上不断发展的轨道。
走在标准化前列的汽车行业，06年底发布标准化指南
目前在三维图纸标准化方面走在最前面的当属汽车行业。SASIG准备在2006年底发布三维图纸相关标准和指南，目前正在加紧进行制订工作。为了赶上SASIG的步伐，JAMA/JAPIA也在推进类似的工作。据在JAMA/JAPIA旗下的三维图纸标准化工作组中负责筹备该指南的本田技术研究所栃木研究所CIS2部门主任研究员永井 昭良表示，“JAMA/JAPIA计划在2006年秋季以前完成指南和标准的制定工作”。
上述工作中所处理的对象包括“三维独立图（3D annotated models）”和“DEV（Digital Engineering Visual，数字工程可视化）”。所谓三维独立图就是指，不附加任何二维图纸或简易二维图纸、以三维数据为主体的设计信息（图纸）。在“JAMA/JAPIA 三维图纸指南 V1.0”中规定，“三维独立图就是指代表产品形状和产品特性（注释、属性）的三维模型（三维形状），以及将有关产品特性的注释和管理信息作为独立于三维模型（三维形状）的信息来表达的图纸”（图2，表1）。不过，在添加产品特性注释和管理信息的方法上，允许一定的自由度。这些信息即可作为电脑软件和二维CAD数据进行添加，也可作为不同于三维数据的其他图纸进行添加。（图片）
图2 JAMA/JAPIA设想的三维独立图示例。来源于JAMA/JAPIA旗下的三维图纸标准化工作组公开的资料。 （图片）
表1 JAMA/JAPIA旗下的三维图纸标准化工作组所做的产品形状、
产品特性、管理信息定义。根据该工作组公开的资料制作而成。 而所谓DEV就是指三维独立图的显示方法。具体来说，就是指在服务、承诺、确认CAE结果、部件设计、组装步骤、成本讨论、检验、认证书等开发过程的各道工序中使用三维独立图时，首先要明确浏览器需要具备哪些要件，然后连同现有浏览器已经具备的要件情况，一起纳入到指南中。对于DEV，由于各企业在三维图纸的运用方法和部门编制方面都不一样，因此DEV仅仅是作为指南而不是标准。
表2具体列出了JAMA/JAPIA作为三维独立图的相关标准而在加紧制定的项目。也就是说JAMA/JAPIA将要规定的内容是在三维数据中应当如何表现产品特性和管理信息。比如，目前正在探讨如下内容：“加入几何公差时，首先选择可检验的几何特性，然后直接为三维形状面指定基准点和几何特性。此时的三维模型尺寸基本上由中间值来生成，否则就要将有关情况写入注释中”；“当尺寸和公差等直接提示给三维形状的注释较多时，可根据需要，设计投影图和剖面图，并设置成可从不同的视角显示所需注释（图3）”；“项目格式的注释和标题栏等文字性的管理信息，要以平行的平面显示在三维模型（三维形状）以外的其他显示器上（图4）”。（图片）
表2 JAMA/JAPIA正在探讨的三维独立图标准的具体项目。
来源于JAMA/JAPIA旗下的三维图纸标准化工作组公开的资料。 （图片）
图3 为了便于显示注释而有区别地标示图形的示例。
来源于JAMA/JAPIA旗下的三维图纸标准化工作组公开的资料。 （图片）
表3 JAMA/JAPIA旗下的三维图纸标准化工作组的活动计划。摘自该工作组公开的资料 另外，对于三维独立图与DEV相关标准与指南的实际制定方法，JAMA/JAPIA和SASIG好像多少有所不同。具体来说，SASIG方面，为了明确区分标准与指南，计划分别制定与三维独立图有关的“三维独立图标准”，以及与三维独立图和DEV双方均有关的 “DEV指南”。而JAMA/JAPIA方面目前仍在研究是将其分成三维独立图标准、三维独立图指南以及DEV指南等三部分，还是将其统一成三维独立图指南。JAMA/JAPIA旗下的三维图纸标准化工作组今后的活动安排如表3。（图片）
图4 以平行的平面在不同于三维形状的其他显示器上显示文字性管理信息时的示例。来源于JAMA/JAPIA旗下的三维图纸标准化工作组公开的资料。 汽车行业今后准备将SASIG制定的标准和指南提交给国际标准化组织（ISO）。
作为用于在三维制图、即三维CAD中表达注释和尺寸线等非形状类设计信息的规则，目前已有ASME（美国机械工程师转会）制定的“Y14.41（Digital Product Definition Data Practices）”规格（为了应用于三维领域，对ASME制定的“Y14.5M”进行扩展而成）。而且，根据ASME的提案，ISO技术委员会10（TC-10）正在审议制定同样的规格。
不过，作为Y14.41，箭头的添加方法等由ASME制定的，而日本和欧洲则主张应当由ISO来制定相应的规则。除此之外，从目前正在审议的规格（ISO DIS16792）来看，有些规则尚未明确，比如，在图纸样式（Drawing Style Types）、即“在产品数据中产品特性、形状模型、管理信息具体应当包含哪些内容？应当利用什么样的方式将其组织起来？”。SASIG认为，只有明确这一点，三维图纸才能得到充分的应用。SASIG准备向ISO指出ISO DIS16792的不足之处（表2）。
在日本，除汽车行业以外正在探索三维图纸理想形态的是日本PTC用户会三维图纸论坛（注）。该论坛的目的不是将二维图纸文化移植到三维领域，而是以用户为主导，重新探索能够充分发挥三维数据特点的新的设计信息传达形态。为此，已经超越用户会的形势而向论坛形式迈进展开讨论。目前，PTC产品用户已经成为该论坛成员。不久之后还准备向PTC产品以外的用户敞开大门。据称，用户还可以观察员的身份参加该论坛。
（注）日本信息处理开发协会（JIPDEC）自2005年起，也在“协同工作组”中成立了旨在探讨应当如何配合三维形状，来表现非形状类设计信息的“设计属性子工作组”。探讨对象包括整个制造业。
该论坛计划根据探讨结果，制定出三线图纸的运用标准（指南）。据称，准备在定于2005年11月22日召开的日本PTC用户会议上提交其成果。对于这项活动的意义，该论坛的一位成员解释说“即便某公司自主制定出了三维图纸的制作规则，但假如其供应商或其他公司未能与其保持统一步调，仍将无法使用。”
另外，在制定上述指南的过程中，该论坛特别强烈意识到了如下2点：（1）必须制定出不局限于CAD种类的指南；（2）不能只是简单地将二维图纸的信息反映到三维数据中，而要充分利用三维数据具备的表现力，去探索便于用户理解、且更具效率的设计信息传达形态。比如，三维数据能够使用颜色。该论坛认为，假如能给面和线配上颜色，就能够使它成为简洁易懂且富有效率的信息传达手段。
论坛成员在制定指南的过程中最为辛苦的就是“要从二维图纸文化这种现有概念中跳出来，从零研究新的信息传达形态”。为此，该论坛首先针对规格设计、构思设计、部件设计、生产筹备、评估与检验等每个阶段，弄清楚“哪些东西是产品制造中所必须的信息”。在此基础上，进一步探讨应当如何利用三维数据的表现力，来传达这些信息。
比如，对于部件设计阶段，先由论坛成员列出使用材料、热处理、表面处理、基本尺寸、尺寸精度、加工方法、表面粗糙度、形状精度、匹配关系、结合方式、间隙设置、规格/标准的采用、应力、热影响、颜色（树脂或铁板颜色）、焊接范围、截面（详图）、基于注释的形状提示（不带提示的R为○○）等必要信息，然后对其表现方法分别加以讨论。成员们从各种角度展开了激烈讨论，下面笔者摘录了部分讨论内容。
“从使用材料来说，由于必须采取绿色采购方式，因此将其作为管理信息（不依赖于部件等的信息。在Pro/ENGINEER中，尽管要作为参数添加到三维形状上，不过，一般利用XML格式进行定义）添加进来的话，从目前来说更便于统计。对于复合材料，是否应当在作为注释添加到三维形状中的同时，再将其作为管理信息添加进来？”
“在热处理方面，将其作为管理信息添加后，在指定热处理部位时，是否还可以添加注释？有时由于在整体处理完成后还需要部分地进行热处理，因此将基本色定为红色，将需要高频淬火的部位设置为其他颜色时，是不是可以配合着颜色来使用注释？”
“对于颜色的使用方法，可能存在着各种应用方式。比如，为了便于识别，可以考虑给加工部位涂上颜色，或者为了便于识别拔模方向，给拔模斜度设定颜色。是否能够控制它在以简化显示方式进行加工显示时采用加工颜色，切换成拔模斜度显示时则采用与此相应的颜色？”
过去，有很多场合都会提到三维图纸的必要性。但实际上它并非与跨企业或跨部门的大型活动有关，在很多情况下仍能继续使用过去的二维图纸。此次连载所介绍的业界活动，其全新之处就在于是抱着“要让大家相互配合、共同使用。同时要在实际运用过程中对应当完善之处不断加以改进”这种思想，推进三维图纸的发展的。由于它已经发展成超越企业或部门范畴的活动，因此可以说对三维图纸理想形态的探索已经迈出了全新的一步。(e-works)
9/1/2005
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